当前不间断电源的几种类型分析及蓄电池的选取

摘 要：UPS，全称为Uninterruptible Power System，即不间断电源。是一种利用电池或者飞轮储存能量的能量储存装置。它的主要作用是，当出现常见的电力传输干扰时，UPS能起到稳压的作用，消除电力传输中存在的如瞬时高压，瞬时低压，频率偏移等现象，使得用电器得到高品质供电，从而避免了因电网电压波动所导致的对用电器的损坏。而当市电供应中断时，UPS作为电源，可以持续向用户继续供应平稳的电压，帮助用户渡过电力中断阶段，或者给与用户一定时间，保存计算机数据以及安全关闭用电器。基于以上作用，UPS被广泛应用于单体计算机，大型计算机网络，精密仪器，以及通讯，造纸，发电，交通，医疗等行业。

关键词：不间断电源 几种类型 分析 蓄电池 选取

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0105-02

1 不间断电源简述

早期的UPS利用大型旋转的飞轮储存能量，市电通过电动机带动飞轮旋转，而当市电供应中断时，旋转的飞轮连接发电机则可以对用电器继续供电。这种形式的UPS被称为旋转型UPS，它利用了电能-动能-电能的转化。这是UPS较早的形式，它的缺点主要是设备庞大，以飞轮动能的形式储存能量，能量密度低，同时飞轮旋转能量耗损大，设备效率较低。随着电池技术，电力电子技术的发展，蓄电池被应用于UPS作为储能装置，这种类型的UPS被称为静止型UPS。它主要由蓄电池组、整流器、逆变器以及UPS监控系统组成。本文将主要分析静止型UPS不同类型的工作原理和特征以及蓄电池的选取。

2 不间断电源的分类及特征

根据工作方式的不同，UPS可分为后备式、在线互动式以及在线式三种。

2.1 后备式（stand-by）

后备式UPS是设计最简单，成本最低的不间断电源，能对市电供应中断及短时电压波动起保护作用，主要应用于小型通讯设备或单体计算机，工作效率可达95%。该设备中整流器、蓄电池组以及逆变器与市电供应并联，当市电供应中断时，需要4～10 ms转换开关闭合，由蓄电池组继续为用户供电。由于从供电中断到开关闭合需要几毫秒的转换时间，因此此类UPS无法对极短时间内的电压干扰起保护作用。逆变器的功率应与用户用电器功率相一致，使用电器在市电供应中断时仍可正常工作。由于对蓄电池组进行充电的过程可在市电供应正常时缓慢进行，所以整流器的功率可相对较低，从而达到节约设备成本的目的（如图1）。

2.2 在线互动式（Line Interactive）

在线互动式UPS的工作原理和后备式UPS类似。市电供应正常时，交流电经整流器整流后变为直流电直接供应给直流用电器，电池同时被充电。而当市电供应中断时，蓄电池可继续为直流用电器供电。此类型UPS的好处是，工作效率更高，可达95%～98%，同时转换时间短，仅需2～4 ms。在线互动式UPS适用于单体计算机，较大型通讯设备，而对于高敏感仪器，尚不足以起到保护作用（如图2）。

2.3 在线式（Online）

第三种类型的UPS被称为在线式UPS。市电供应正常时，交流电先通过整流器变为直流电，供电池充电，与此同时电池放出直流电，经过逆变器供应给用户，电池处于持续充放电过程中。在线式UPS最大的缺点是，因整流器和逆变器在持续工作状态下始终存在能量耗损，此类UPS工作效率较前两类相比较低，可达90%，同时价格也是三类不间断电源中最高的。由于此类UPS基本上可解决所有电力供应时常伴随而来的电压波动，频率偏移等问题，可使用户在每一分每一秒都能得到极度安全平稳的高品质供电，因而常被应用于大型服务器、数据通信及造纸等工业领域（如图3）。

3 蓄电池的选取

3.1 蓄电池对比及选取

静止型UPS将电能以化学能的形式储存在UPS的蓄电池组中，具有能量密度高，耗损小，设备稳定等优点。不同蓄电池的选取，对UPS的性能及价格有很大影响。表1中选取了几种国际市场中重要的蓄电池进行对比。

由图1所列数据不难看出，锂离子电池因其高能量密度、更长的使用寿命以及更高的充放电效率而得到越来越多的关注，尤其适合作为电源应用于可移动设备，如笔记本电脑，手机，插电式混合动力汽车等。但目前价格仍然十分昂贵，且充放电过程存在安全隐患。镍氢电池技术成熟，但价格高、降价空间低且充放电效率低是制约其应用于UPS的主要因素。钠硫电池同样作为高性能电池，其价格明显低于镍氢电池和锂离子电池，与此同时此类电池还拥有较长的使用寿命。但工作温度需达300 ℃以上，决定了其并不适合应用在UPS设备中作为储能装置。与上述三种蓄电池相比，铅酸电池因其低廉的价格和稳定的性能而被广泛应用于UPS设备中。尽管铅酸电池能量密度较低，但是十分适合应用于固定设备中。同时多数UPS作为备用电源，并不需要大量全充放电循环次数。综上所述，铅酸电池以其低廉的价格和稳定的性能作为主要优势，在UPS市场中占据主导地位。

3.2 铅酸电池工作原理

铅酸电池的正负极均由栅架和填充在上面的活性物质构成，正极板上是二氧化铅，负极板上的活性物质是金属铅，电解液为浓度30%的硫酸。放电时，负极板上的铅和硫酸氢根离子作用生成硫酸铅，氢离子和两个电子，同时正极板上的二氧化铅得到由负极产生，且流经外电路的两个电子，并和氢离子，硫酸氢根离子共同作用，生成硫酸铅和水。正负极反应方程式为：

负极：

正极：

总反应式：

3.3 铅酸电池的老化及维护

铅酸电池的老化主要由以下几个方面引起。首先是放电时两极板上的铅和二氧化铅都分别反应生成硫酸铅

体积：1∶2.4

体积：1∶1.94

电池内部体积膨胀产生机械形变，从而导致活性物质脱落，电池老化。其次是放电过程中电池内部硫酸化，产生了体积较大的硫酸铅晶体，难以被溶解，电池容量损失。

在图2中，假设灰色区域表示硫酸铅晶体，由图可以清晰看出当体积较小的硫酸铅晶体与体积较大硫酸铅晶体总体积相同时，表面积之比为2∶1。因此，充电时体积较小的硫酸铅晶体更容易和反应物接触从而溶解，而体积较大的硫酸铅晶体难以溶解，进而造成电池充放电不可逆，电池老化。上述为造成铅酸电池老化的主要原因，除此之外，正极板被腐蚀以及伴随电池充电同时发生的电解水反应造成的水损失都会造成电池的老化。事实上，现在大多数UPS所采用的是阀控式免维护铅酸电池，即在电池顶端加上一个可控制阀门，使得充电过程中正极因电解水而产生的氧气不再直接排出电池，而是可以自由扩散到负极，和负极产生的氢气作用再次生成水。这种阀控式免维护铅酸电池极大的减少了电池充放电循环带来的水损失，省去了对电池定期补水的维护。日常存放铅酸电池应尽量避免低电量存放，这样会加速电池内部硫酸化的过程，从而加速了电池老化。更应避免在周围环境温度较低时对电池深度放电，这样有可能会引起电解液结冻进而损坏电池。同时对阀控式免维护铅酸电池也不应过度充电，有可能引发的热失控同样会直接损毁电池。对于铅酸电池来说，在定流定压充电之后如能以小电流继续充电对铅酸电池是极为有益的。因为小电流能使电池内部较大体积的硫酸铅晶体再次溶解，进而恢复电池容量。对于存放多年或者已经老化的铅酸电池来说，采用小电流充电能重新唤起电池的活性。

4 结语

不间断电源作为电力能源储存装置，被广泛应用于家庭，学校及工业领域。由于目前在市电供应中存在的电压波动，电力中断，频率偏移等现象仍无法避免，同时家庭用户对市电供应稳定性以及工业领域对高品质供电的需求都在不断增加，使得不间断电源拥有广阔的应用前景。未来随着可再生能源发电比重的不断提升以及传统电网向智能电网的逐步转变，不间断电源还可作为电能储存装置对电网起到双向调节作用，可以预见，不间断电源具有广阔的发展前景。

注释

[1]数据来源： www.isea.rwth-aachen.de.